流态固化土的电化学特性及其施工与力学性能

王宇杰, 杜红秀

(太原理工大学建筑与土木工程学院, 太原 030024)

在城市建设等工程中每年产生高达几十亿立方米的渣土,以太原市小店区潇河新城建设项目为例,挖填方区域达到200万m3,需要大量换土处置和废放外运,同时面临着回填施工场地小、空间窄、回填深度大、回填土夯实质量不稳定、难以达到设计要求等难题。流态固化土作为一种新型绿色工程材料,利用了工程渣土,无需振捣成型,可泵送或溜槽浇筑,减少了传统素土、灰土回填的压实工序,特别是狭窄空间的填筑工程,更具有无可替代的技术优势[1-3]。

国内对流态固化土已经有了一定的研究,周永祥等[4]提出了流态固化土概念,阐明了流态固化土的施工工艺及基本性能。王丽筠等[5]发现肥槽回填采用流态固化土具有施工速度快、安全隐患少、施工过程绿色、环保、无污染等优点,极大改善了肥槽回填的均匀性。陈荣华等[6]基于粉质黏土对流态固化土展开研究,采用水泥质量掺量10%～15%、粉煤灰质量掺量30%～50%、生石灰质量掺量10%为固化剂时,流态固化土流动性和强度表现良好。王艺程[7]发现粉煤灰可以很好地改善流态固化土流动性,但若粉煤灰替代水泥量过大就会出现强度降低的问题。高强[8]利用单纯形重心法设计流态固化土固化剂,确定了固化剂的最佳掺量,并通过扫描电镜分析水泥基流态土固化剂的加固机理。

电化学阻抗谱法是一种以小振幅的正弦波电位为扰动信号的电化学测量方法[9-10],在评价固化土内部固化效果方面有了较为广泛的应用。现选取水泥-粉煤灰-矿粉三元体系固化剂固化太原市潇河新城工程地基土,利用流动性测试、凝结时间测试、无测限抗压强度测试选择既能达到施工性能以及强度要求,又可以节约成本的最优固化剂配比。同时通过电化学阻抗谱测试,建立阻抗参数与抗压强度之间的关系,探讨该方法应用于评价流态固化土内部固化效果的可行性。

1 试验方案

1.1 原材料

(1)土:土样取自潇河国际会展中心施工现场,测得土质液限WL、塑限Wp、塑性指数Ip、最优含水率wop和最大干密度ρd如表1所示。

表1 土的基本物理性质

(2)水泥:采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥,矿物掺合料选用Ⅱ级粉煤灰和S95级矿渣粉,主要化学成分如表2所示。

表2 水泥、矿渣粉和粉煤灰化学组分

(3)拌合水:本试验中制备所用的水为潇河国际会展中心施工现场工地水。工地水的化学组分如表3所示。

表3 工地水的化学组分

1.2 配合比

单纯形重心法通过测定试验点的性能指标,从而预测试验区域内其他点的性能[11]。实验设计需要满足的混料条件(Xi≥0,X1+X2+…+Xn=1)进行合理的实验安排。本试验设定有3种成分的固化剂材料,取上下边界约束条件为:水泥掺量占固化剂总量的40%～100%,粉煤灰和矿粉掺量均占固化剂总量的0～60%。单纯形重心设计法的配料点如图1所示。

上下界约束条件下固化剂配合比实验区域是正规单纯形——等边三角形,应用三分量系统的三阶单纯形重心设计方案,因此回归方程模型为三个分量的三阶重心多项式[12],即

(1)

式(1)中:y为固化土的预测值;bi=yi,bij=4yij-2(yi+yj),b123=27y123-12(y12+y13+y23)+3(y1+y2+y3),其中y1、y2、y3、y12、y13、y23、y123分别为7个试验点T1～T7下的固化土实测坍落度、凝结时间、抗压强度值;x1、x2、x3为3种固化剂的掺量。将各个重心点的实测抗压强度代入回归方程得到固化土强度预测方程。

本次试验固化剂掺量取10%,实验组编号中的字母代表固化剂掺量,数字对应单纯形重心设计法配料点。不同固化剂配比如表4所示。

图1 单纯形重心设计法的配料点Fig.1 Ingredient points of simplex center of gravity design

表4 固化剂配比表

1.3 流态固化土试样制备

对土料进行破碎、筛选,得到粒径小于5 mm的土粒,将土粒置于烘箱内,在105 ℃下烘至恒重,取出待用。先将部分水加入搅拌机内,再向搅拌机中加入固化剂,启动搅拌器搅30 s。按照配比加入土料,可将土料分成多组多次添加。加入第一次土料后,在保持搅拌器持续搅拌的状态下,约20 s内再加入下一次土料,直至将土料完全加入搅拌机内,根据土料流态情况加入剩余水量,搅拌器搅拌30 s后取出。根据《水泥土配合比设计规程》JGJ/T 233—2011相关规定,将搅拌好的流态土装入 70.7 mm×70.7 mm ×70.7 mm的试模中,试样在24 h 脱模,将脱模后的试块(20±1) ℃、相对湿度95%以上的标准养护条件下养护至14 d进行抗压强度测试。流态固化土制备及装模过程如图2所示。

图2 流态固化土的制备及装模Fig.2 Preparation and installation of fluid solidified soil

1.4 试验方法

1.4.1 流态固化土坍落度测试

拟用普通混凝土坍落度筒测试,为了保证预拌流态固化土的坍落度可以到达150～180 mm,试验采用0.49水胶比(水的质量比干土与固化剂质量)。

1.4.2 流态固化土凝结时间测试

将拌合均匀的流态固化土装入圆模中抹平,并将其放在维卡仪试针下。当试针下降到距离底板 3～5 mm时判定流态固化土达到初凝状态。终凝针上安装一个环形附件,当环形附件不能在试体上留下痕迹时,判定流态固化土达到终凝状态。

1.4.3 流态固化土抗压强度

测定流态固化土抗压强度选用仪器为万能试验机。本次实验选定加载速度1 mm/min开始加载,直到压力峰值出现后试件破坏结束试验,记录峰值压力并计算极限抗压强度。

1.4.4 阻抗谱试验

采用单通道电化学工作站测定电化学阻抗谱。通过分析Nyquist图的容抗弧半径和Bode图的阻抗模值来评价固化剂固化效果。

2 试验结果与分析

表5总结了流态固化土的坍落度、凝结时间和抗压强度。

表5 流态固化土坍落度、凝结时间、抗压强度值

2.1 流态固化土坍落度

不同配比固化剂下的流态固化土坍落度如图3所示。从图3中可以看出粉煤灰含量从0增加到60%时,流态固化土的坍落度由180 mm增加到 186 mm。这是由于粉煤灰表面光滑,在流态固化土内起到良好的润滑作用。当水泥与矿粉复掺时,流态固化土的坍落度由180 mm降低到175 mm,说明复掺水泥-矿粉时的需水量增加,需要结合更多的自由水,导致坍落度的小幅度下降。

图3 坍落度值变化Fig.3 Changes in slump value

根据7个实验点的坍落度值,可求解式(1)。坍落度值与三元固化剂掺量组成的关系式为

y=180x1+178x2+186x3-16x1x2-

4x1x3+51x1x2x3

(2)

通过上述坍落度预测方程,可以计算不同组分比例来满足特定要求的三元体系固化土的坍落度值。

2.2 流态固化土凝结时间

不同配比固化剂下的流态固化土凝结时间如图4所示。在水胶比0.49情况下,预拌流态固化土的终凝时间的变化规律与初凝时间大致相同,如图4所示。随着固化剂配合比不同初凝时间由10 h缩短到8 h,终凝时间由15.5 h缩短到13 h。水泥与矿粉复掺下的流态固化土凝结时间最短,水泥与粉煤灰复掺下的流态固化土的凝结时间最长。

图4 凝结时间变化图Fig.4 Setting time variation diagram

根据7个实验点的凝结时间,可求解式(1),凝结时间与三元固化剂掺量组成的关系式为

y=8.5x1+8.0x2+10x3+x1x2-x1x3-

1.6x2x3-12.3x1x2x3

(3)

y=14x1+13x2+15.5x3+2.8x1x2+

0.2x1x3+0.2x2x3-27.6x1x2x3

(4)

通过上述凝结时间预测方程,可以计算不同组分比例来满足特定要求的三元体系固化土的凝结时间。

2.3 流态固化土抗压强度

固化剂掺量为10%,水泥-粉煤灰-矿粉不同配比下抗压强度等值线图如图5所示。从图5中可以看出强度较低的区域主要集中在粉煤灰40%～60%,水泥掺量40%～60%这片区域,表明粉煤灰对固化土强度增长的作用较低。强度较高的区域主要集中在矿粉掺量为20%～50%,粉煤灰掺0～20%,水泥掺量40%～80%这片区域内。水泥中加入矿粉,其内部水化程度较高,生成了更多的水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶,降低了内部孔隙率,提高了流态固化土密实度。高强[8]研究也确定了水泥与矿粉是提高固化土强度的重要因素。在工程实际中,在此区域选取水泥、粉煤灰、矿粉复合固化流态土,既能达到较高的抗压强度,又可以减少固化剂中水泥的用量,达到节约成本的目的。

图5 10%、14 d固化土抗压强度等值线图Fig.5 Contour map of compressive strength of 10%,14 d

据7个实验点的抗压强度,可求解式(2),抗压强度与三元固化剂掺量组成的关系式为

y=1.73x1+1.99x2+0.86x3+1.44x1x2+

0.14x1x3+0.06x2x3-5.88x1x2x3

(5)

通过上述抗压强度预测方程,可以计算不同组分比例来满足特定要求的三元体系固化土的抗压强度。

2.4 流态固化土的电化学阻抗谱特征

2.4.1 等效电路模型建立

流态固化土是由固体、液体、气体组成,它的导电路径大致分为3种:固化土中的孔隙溶液传导、固化土内部水化反应产生的胶体与土颗粒相接触部分的传导、胶体以及土颗粒与之间的孔隙溶液传导[13]。因此可以在理想条件下获得流态固化土内部的等效电路模型,通电后,电流通过铜电极传导至固化土表面,产生双电层电容。在实际测量中,由于“弥散效应”的存在,双电层电容不是固定值,会出现一定程度的偏差,为防止这种效应,将双电层电容换成常相位角元件(constant phase angle element,CPE)。电流通过固化土中孔隙溶液传导产生的电阻用Rs表示。电流通过胶体、土颗粒与它们之间的孔隙溶液传导产生的电阻为法拉第阻抗,用F表示。法拉第阻抗分为电化学过程电荷转移电阻Rct和扩散阻抗W,因此可以得到等效电路图如图6所示[14-15]。

图6 流态固化土的等效电路图Fig.6 Equivalent circuit of fluid solidified soil

2.4.2 流态固化土阻抗谱分析

如图7所示选择4个具有明显特点配合比下固化土的电化学阻抗谱图。

Z′为阻抗实部;|Z″|为阻抗虚部图7 不同固化剂配比下流态固化土的电化学阻抗谱图Fig.7 EIS diagram of fluidized solidified soil with different solidifying agent proportions

从Nyquist图来看均由高频区容抗弧和低频区不同程度的扩散斜线组成。水泥与矿粉复掺下的流态固化土的容抗弧半径最大,水泥与粉煤灰复掺下的流态固化土的容抗弧半径最小。可以看出容抗弧半径的大小与固化土抗压强度的大小成正比。在理想状态下,低频区的扩散斜线应该是一条45°的斜线,但是由于试件表面粗糙不能与电极面充分接触,导致其扩散斜线的斜率变低。从Bode图来看固化土的阻抗模值|Z|在水泥与矿粉复掺下达到最大,其次是单掺水泥以及水泥、粉煤灰、矿粉复掺,在水泥与粉煤灰复掺下达到最小。固化土的阻抗模值随着频率的增大先减小后趋于稳定。

2.4.3 等效电路参数

以图6所示等效电路模型使用Z-view软件模拟得出的等效电路参数如表6所示。

表6 等效电路参数

(1)流态固化土溶液电阻Rs:反映的是流态固化土孔隙溶液电阻,它反比与孔隙溶液中离子的浓度[16]以及材料的内部总孔隙率[17-18]。孔隙溶液中存在着由水泥水化产生的游离的Ca2+、OH-等离子[19],水泥与矿粉复合添加时,水泥矿粉间的二次水化反应更加充分,消耗了大量的OH-离子,导致孔隙溶液中的离子浓度降低,同时生成了相对较多的水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶,更好地填充了固化土内部孔隙,降低了流态固化土的内部总孔隙率,因此其溶液电阻Rs是最大的。

(2)固-液界面电阻Rct:反映的是固液界面离子交换过程的阻力,随着水泥、粉煤灰、矿粉水化反应的持续,越来越多弱结合水、自由水与离子参与水化反应,在固化土强度增加的同时使得固-液间电荷的转移变得越来越困难,固-液界面电阻Rct不断增大。其大小与抗压强度成正比。

(3)双电层电容CPE-T:随着水泥、粉煤灰、矿粉水化反应的持续,越来越多弱结合水、自由水与离子参与水化反应,生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶,导致土体结构越来越密实。

因此双电层间的电荷量越来越少,最终导致CPE-T越来越小。表明CPE-T值与水化程度、离子浓度以及孔隙率有很大关系。CPE-P 是一个无量纲的参数,与弥散角φ有关。

综上,流态固化土的无侧限抗压强度从宏观的角度反映其固化剂固化效果。电化学阻抗谱参数可以从微观的角度来反映其固化剂固化效果,Nyquist 图的容抗弧半径和 Bode 图的阻抗模值大小与固化体试样的强度大小呈正相关,内部孔隙溶液Rs与强度呈正相关,固-液界面电阻Rct与强度呈正相关,双电层电容CPE-T与强度呈负相关。其主要原因是随着水泥、粉煤灰、矿粉的加入,土体内部发生水化反应,离子、弱结合水和自由水参与水化反应生成凝胶,导致土体内部的孔隙率降低,离子浓度降低。因为水泥与矿粉水化反应相对其他配比最充分,所以其容抗弧半径、阻抗模值、Rs、Rct最大。从中可以看出电化学阻抗谱测试可以反映固化土试样内部的水化过程,是评价预拌流态土固化剂固化效果的一种有效途径。

3 结论

(1)采用单纯形重心法建立的水泥、粉煤灰、矿粉三元固化剂与流态固化土坍落度、凝结时间和抗压强度的数学模型,可针对不同要求计算固化剂配合比,有效指导配合比设计优化。

(2)水泥、矿粉质量比为7∶3复合固化流态固化土时,抗压强度最高,固化效果最好。水泥、粉煤灰、矿粉质量比6∶2∶2的流态固化土流动性和凝结时间适宜,抗压强度较高,既能提升固化土强度又能达到节约成本,改善环境的目的。

(3)利用电化学阻抗谱法可以通过分析固化土试样内部的水化过程,从微观的角度来反映其固化剂固化效果,其结论和无侧限抗压强度得出的固化剂固化效果一致,是评价预拌流态固化剂固化效果的一种有效途径。